基于MATLAB的采棉机器人运动学仿真.pdf

2007年第6期 能源技术与管理 155 基于新芳，袁建宁，于滨 (南京工程学院机械工程学院，江苏南京211167) 摘 要 对采棉机器人的运动学进行建模与分析。根据D并在此基础上推导出了采棉机器人的运动学方程，并求出逆解。用建 立了求逆解的程序和仿真系统软件，仿真所得到的结果对于路径规划、控制等方面 的研究具有重要的参考价值；仿真实例证明了逆运动学算法的正确性。 关键词运动学；逆解；仿真 中图分类号文献标识码A文章编号1672_9943(26 155 3 0 引 言 机器人运动学包括正运动学和逆运动学，机 器人逆运动学求解直接影响着控制的快速性及准 确性。由于机器人逆运动学本身的复杂性，要建立 通用的算法比较困难，求运动学反解有多种方法， 例如。的几何法等汜。本文采用了反变换法并结合几 何法求运动学逆解：又用编写求逆 解的程序和动态仿真软件，仿真结果验证证明了 结果正确 1 采棉机器人运动学模型的建立 采棉机器人由履带(驱动机器人行走)、一个 四自由度的机械手(腰、肩、肘、摆腕)、末端执行 器、运动控制器和视觉系统组成。其中视觉系统包 括一台计算机、三台。结构简图如图1所示 ，摄像尊d 摄像 未 调 节 支 自由度 机械手 洲 摄像 末端执行器 履带 图1 1服单元 工控 l 皿 _J 642主板 智能型采棉机器人结构图 视 口 基金项目：江苏省高校自然科学研究计划项目 (05先进数控技术江苏省重点实验室开放基 金项目(采棉机器人四自由度机械手的四个关节均为 转动关节。采棉机器人三个关节互相平行，满足机 器人有封闭解的两个充分条件之一。机械手的结 构示意图如图2所示，各连杆坐标系如图3所示， 相应参数如表1所示。 图2棉花采摘机械手示意图 3采棉机械手各关节坐标系 表1 采棉机器人的D 连杆i a Q d 0 关节变量范围连杆参数值据D变换矩阵： 维普资讯 ， 0 0 0 一 0 0 J 0 1 0 f 0 0 1 I 0 一 0 0 1 0 1 0 0 1 一 a2 l 0 l 0 1 0 j 0 0 1 a3 0 0 1 0 0 0 1 机械手的运动学方程为： 0 0 I 2 2 4 I 2 3 3 234 234 234 1 一 0 0 a P y P： 0 1 2l 1 (1) 式中， =i4-j)； =i+ ： 为最终得到的手臂变换矩阵，凡。口为 3示手臂端部相对机座坐标系的姿态。 手臂端部相对机座坐标系位姿。 2采棉机器人逆解算法 逆运动学求解就是已知机器人末端执行器的 位姿。求相应的关节变量3。本文采用反变换法求 运动学逆解。因为腰关节转角 的范围为10。 170。，肩关节转角 的范围为一90。90。因此可以 求出唯一逆解。 21 腰关节转角 的解 用：7L ( 。)左乘方程(1)两边， n 一1 n 2 2 2 (01 4 3 T(03 4 T(04)=4 T (2) 令矩阵方程(2)两端元素(3，4)对应相等，得 yp ) (3) 因为腰关节转角 的范围为10O 170。，舍弃 。的不可能取值即可唯一定出 。 22肘关节转角 的解 再令矩阵方程(2)两端的元素(1，4)和(2，4) 分别对应相等得两个方程： fC】2P =c (4) 【一 1 2P 一 l 2Pv3(4)两等式平方和相加得： 1Pr+p +2P Pv n2+c3 2 2 2 2 2 2 一! ! 兰! 二 (5 3 2 2 2 2 2 2 2 令：k： 二 3=、1一 。k) (5) 式中，正、负号对应 的两种可能解。 23肩关节转角 及摆腕角 的解 用：T ( )左乘方程(1)两边得： P a P 0 1 1 (6) 令矩阵方程(6)两端的元素(1，4)和(2，4)分 别对应相等。得： 一 ! ! ! 1 023一 一 5 ： 监 一 (+p。 323)，02=02303 (8) 因为肩关节转角 的范围为一90。90。，舍弃 的不可能取值即可唯一定出 ，同样 也可唯 一确定。 令矩阵方程(6)两端的元素(1，1)和(2，1)分 别对应相等。得： 4) (9) 3机器人运动学仿真 31 问题描述 假设采棉机器人在可达空间内采棉通过视 觉系统发现有10朵棉花。对应10个点的末端坐 标为：200，一100，0，100，200；00，200； = 一260的组合，位置1(一200。100，一260)、位置2 (一100，100，一260)、位置10(200，200，一260)。 假设棉花正面朝上。在不考虑障碍等约束的条件 下。控制机械手末端执行器采摘10朵棉花并显 O O 。 维普资讯 。 32仿真 利用和本文提出的逆解算法创 建求逆解的函数p)，求出反解。再编写运动 过程仿真程序即可求出机器人的 动态位置。由于本文无法表示动态过程，取两个 运动时刻的运动位置。图4为运动位置1时候三 维仿真图，图5为运动位置5时候三维仿真图。 O N x Y 图4位置1机械手臂三维仿真图 V 图5位置5机械手臂三维仿真图 _蜘 4 结 论 本文对四自由度采棉机器人的运动学进行了 分析，并对其逆运动学算法进行了研究，根据采棉 机器人的实际情况及几何分析可以确定一组唯一 逆解：用结合文中的算法设计了求 逆解的程序：通过编程对其进行三 维动态仿真，验证了本文算法的正确性。 参考文献 1 P， E，1981，114492熊有伦机器人技术基础M武汉：华中科技大学出版 社2002 3王朋，武传宇，胡旭东J浙江理工大学学报，2005，22(3)：245249 4孙增圻机器人系统仿真及应用j系统报，1995，79 (3)：2329 作者简介 袁新芳女，讲师，1991年毕业于南京航空航 天大学，研究领域：机电一体化系统